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그래핀 소재의 원리 및 물성

그래핀(Graphene)은 탄소 원자들의 sp2 결합으로 이

루어진 벌집모양의 2차원 평면 구조 탄소 동소체이다.

그래핀은 축구공모양의 풀러렌(Fullerene, C60)과 원기

둥 모양의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다층구조

의 흑연(Graphite)과 함께 나노구조의 탄소 동소체의 한

가지로 분류될 수 있다. 2004년 영국 맨체스터 대학의

Geim과 Novoselov는 스카치 테이프를 사용하여 흑연으

로부터 그래핀을 박리시켰고 이후 그래핀의 독특하고 뛰

어난 물성을 확인하였으며, 이후 많은 연구자들이 다양

한 응용 연구들을 진행하고 있다.

탄소 원자에 있는 4개의 최외각전자들 중에 3개의 전

자는 육각형의 구조를 이루기 위해 σ-결합을 형성하고,

남은 1개의 전자들이 이루는 긴 범위의 π-공액구조(π

-conjugation)로 인해 그래핀은 우수한 물리적, 전기적

특성을 가지게 된다. 그래핀은 반도체 소재의 주 원료인

실리콘보다 100배 이상의 높은 전자 이동도와, 구리보다

100배 이상의 전기전도도를 갖는다. 인장 강도는 강철의

200배 이상이며, 신축성이 좋아 10% 이상 면적을 늘리

거나 구부려도 전기전도도가 감소하지 않는다. 또한 현

존하는 물질 중 가장 높은 열전도도를 가지는 다이아몬

드보다 2배 이상 높은 열전도성을 지닌다.

그래핀 소재의 합성 공정

단층 흑연(Monolayer graphite)의 합성은 일찍이

1975년에 B. Lang이 백금 단결정 위의 탄소를 열분해하

여 그 결과 Mono-, Multi-layer 흑연이 형성되는 것을

보이면서 연구되어 왔다, 하지만 각각의 백금 결정면 위

에 형성된 여러 시트들의 특성 간에 일관성 부족과 이 결

과물의 유용한 응용을 정의하지 못함으로써, 이 공정은

넓리 연구되지 못하였다. 하지만, 2004년에 Novoselov

가 물리적 박리를 통한 그래핀 공정의 재현성을 보임

으로서, 이후 그래핀 합성 공정은 물리·화학적 박리

법(Exforliation), 화학기상증착법(Chemical Vapor

Deposition), 에피택셜 성장법(Epitaxial growth) 등의

방법으로 만들어지고 있다.

■ 물리적 박리법: 테이프나 Shear Stress 등을 가하여

물리적인 방법으로 그래핀을 박리하는 방법이다. 이 방

법으로는 연구에 필요한 양질의 그래핀을 얻을 수 있으

나, 대면적이나 대량생산은 어렵다. 하지만 용액내에서

회전력을 가하여 흑연으로부터 그래핀을 박리하는 공정

<저자 약력>

2000년 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 화학공학 박사학위를 받았으며, 이후 반도체 장비생산업체인 미국 Applied

Materials에서 연구원으로 4년간 근무하였다. 2004년부터 성균관대학교 화학공학부 교수로 재직 중이며, 플라즈마 공정 및 장

비, 양자점 발광소재 및 공정, 그래핀 소재 및 공정분야의 연구를 진행하고 있다. (hchae@skku.edu)

그래핀 소재의 개발 현황채희엽

│확대경│

[Fig. 1] 그래핀 및 탄소동소체의 모식도와 그래핀의 밴드 구조

진공 이야기 Vacuum Magazine │2015 06 June46

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확대경

은 아직 초기단계이나 어느 정도 대량생산의 가능성을

보여주고 있다. 아직은 대학이나 연구소에서 연구를 진

행중이다.

■ 화학적 박리법: 용매를 이용하는 방법으로서 강산과

산화제를 이용하여 산화흑연(Graphite Oxide)의 제조를

통한 박리를 유도한 후, 환원(Reduction) 공정 거쳐 그

래핀을 얻는 방법이다. 화학적 박리법은 그래핀의 대량

생산에 가장 유리한 것으로 알려진 방법으로 알려졌지

만, 강산을 이용한 흑연의 산화로 인하여 환원 후 그래핀

의 결함 및 산소 작용기의 완벽한 제거가 어려운 단점이

있다. 현재 화학적 박리법에 의한 용액 그래핀을 생산하

여 판매하는 기업으로는 미국의 Angstrom Materials,

Vorbeck Materials, XG Science, 영국의 Thomas

Swan, 중국의 Sixth Element Materials등이 대략 연

간 수십톤에서 수백톤의 생산이 가능한 것으로 알려져있

다. 하지만 화학적 박리법에 의한 그래핀은 많은 결함으

로 인하여 물성이 좋지 않다. 효과적인 환원공정을 통하

여 물성을 향상시키는 노력이 진행중이다.

■ 화학기상증착법: 화학기상증착법(Chemical Vapor

Deposition)은 고온에서 Ni, Cu, Pt 등과 같이 탄소

에 쉽게 흡착되는 금속을 SiO2 기판 위에 촉매층으로 증

착하고, 메탄, 수소 등이 존재하는 혼합가스 분위기와

1,000℃ 이상의 고온조건에서 탄소가 촉매층과 반응한

후, 냉각을 시키면 촉매층에 녹았던 탄소원자들이 표면

에서 결정화 되어 그래핀을 형성하는 공정이다. 이 방법

으로 대면적 그래핀 형성이 가능하며 국내의 Graphene

Square와 유럽의 Gladiator등의 기업이 시제품을 생

산하고 있다. 유연전극등으로의 활용을 위해서는 전사

(Transfer), 금속기판 에칭등의 추가 공정이 필요하다.

현재 공정단가를 낮추기 위해 Roll-to-Roll 공정등 대

량생산 공정 개발이 진행되고 있다.

■ 에피택셜 성장: 에피택셜 성장법은 실리콘 카바이드

(SiC) 등의 탄소가 결정 구조에 흡착, 포함되어 있는 재

료를 1,500℃의 고온에서 열처리하면 실리콘이 증발되고

SiC중의 탄소가 결정 표면을 따라 그래핀을 형성하게 된

다. 이 공정은 다른 공정에 의해 형성된 그래핀보다 좋지

않은 물성을 가지며, 재료가 비싸고 공정이 복잡하다는

단점이 있다.

그래핀 소재의 응용

우수한 물성으로 인해 그래핀 소재는 매우 폭넓게 응

용될 가능성을 가지고 있다. 투명 디스플레이, 발광소재,

에너지, 전극 재료 등의 분야에 응용할 수 있는 연구들이

진행되고 있다.

■ 투명전극: 투명전극으로 사용되고 있는 대부분의 소재

는 현재 ITO(Indium Tin Oxide)가 사용되고 있는데, 특

히 유연투명전극 소재로 그래핀이 연구되고 있으며 산업

화가 가장 활발히 진행되는 분야이기도 하다. 화학기상

증착에 의한 그래핀은 비교적 넓은 면적으로 금속기판위

에 성장이 가능하며, 그 성능이 용액공정 그래핀에 비하

여 이상적인 그래핀에 가까운 편이며 면저항의 경우 수

십Ω/□가 보고되고 있다. 유연 투명전극과 터치패널 응

용 시제품이 발표된바 있다. 화학기상증착공정의 경우

진공상태에서 증착이 필요하고, 전사공정을 거치며, 금

[Fig. 2] 그래핀의 대표적 합성방법

공정 방법

박리법 성장법

물리적 화학적화학기상

증착에피택셜

특성 매우 우수 나쁨 우수 우수

전도도 매우 우수 낮음 우수 우수

크기 ~ 100 ㎛ ~ 100 ㎛ ~ 30 inch SiC wafer

공정 난이도 쉬움 쉬움 복잡 보통

대량 생산 어려움 가능 가능 어려움

[Table.1] 그래핀 합성 공정의 비교

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속기판을 녹이는 에칭공정이 필요하여 아직은 투자비와

비용이 높아 본격적인 상업화가 이루어지지 않고 있다.

용액공정으로 만들어진 그래핀은 높은 저항으로 투명

전극으로 사용이 부적합하나 최근에는 은 나노선(Silver

Nanowire)과 그래핀을 혼합하여 낮은 면저항과 높은 광

투과도를 가지는 투명 전극에 관한 연구가 진행되고 있

다. 하지만 이들 용액 그래핀의 전기적, 물리적 물성은

이상적이 그래핀에 크게 못미치고 있다. 예를 들어, 면저

항의 경우 수백Ω/□ 수준으로 디스플레이용 투명전극에

적합하지 않다.

■ 발광소재: 바이오센서와 광센서, 바이오 이미징 등 다

양한 분야에 적용할 수 있는 그래핀 양자점이 최근 활발

하게 연구되고 있다. 그래핀 양자점이란 도체물질인 그래

핀을 반도체 형태로 만들기 위해 크기를 10 nm 이하의 점

형태로 만든 물질을 일컫는다. 이는 새로운 종류의 양자

점으로, 입자가 수십 나노미터 이하인 경우 전자가 공간

벽에 의해 갇혀 반도체 특성을 갖는 점을 이용하고 있다.

연구초기 단계로서 형광 및 발광 특성이 보고되고 있다.

■ 에너지소자: 전기 자동차 개발에 필수적인 높은 효율,

긴 수명의 2차전지(Rechargeable Battery)에 관한 수요

가 증가하는 가운데, 그래핀의 넓은 표면적과 안정적인

결합 구조 등을 이용한 슈퍼 캐패시터 전극재료로 연구

되고 있다. 그래핀을 둥글게 만 후, 수직 방향으로 얇게

잘라 필름을 만드는 등 그래핀의 표면적을 같은 공간 안

에서 최대한 넓게 사용하도록 하는 연구들이 실제 진행

되고 있다. 단위무게당 넓은 표면적을 제공하므로 용액

공정의 화학적 박리법에 의한 그래핀으로 2차전지의 전

극물질로 활발히 연구되고 있으며, 일부 시제품이 보고

되고 있다. 그래핀소재의 상용화에 가까운 분야 중에 하

나로 판단된다.

■ 기체투과방지막: 수분과 산소에 취약한 OLED 소자를

보호하는 수분투과방지막을 그래핀으로 형성하는 연구

도 활발하게 이루어지고 있다. 이상적으로 결함(Defect)

이 없이 대면적으로 형성된 그래핀이라면 매우 작은 분

자의 기체도 투과할 수 없으나, 대면적의 결함이 없는 그

래핀을 만드는 것은 아직 어려운 단계이다. 하지만 고분

자 물질에 그래핀 시트를 적절히 섞어줌으로써 수분 기

체가 지나는 투과 경로의 길이를 늘어나게 하여, 수분투

과도(Water Vapor Transmission Rate) 를 낮추는 연

구가 진행 중이다. 이론적으로 이상적이나 실제로는 많

은 결함으로 아직은 낮은 기체투과방지 특성이 보고되고

있다.

[Fig. 3] 그래핀 소재의 응용

진공 이야기 Vacuum Magazine │2015 06 June48